飛機直流電源調壓器

1、 第三章 飛 機 直 流 電 源3.1 概 述低壓直流電源是飛機上較早使用的一種電源，具有結構簡單、使用維護方法成熟、有起動發(fā)電雙功能等特點，因此現(xiàn)在仍得到廣泛應用。電源調節(jié)點額定電壓為28.5V，匯流條電壓為27.5V，蓄電池額定電壓在24V左右，視所用電池類型而變化。高壓直流電源是70年代發(fā)展起來的新型電源，匯流條額定電壓為270V，此值和115/220V三相交流電經(jīng)橋式整流后的電壓相同，這樣高壓直流電源可和115/220V三相交流電源相容。高壓直流電源的主電源是發(fā)動機直接傳動的無刷直流發(fā)電機，輔助電源是輔助動力裝置傳動的直流發(fā)電機，應急電源為蓄電池或應急發(fā)電機。 3.2 飛機直流發(fā)電機3

2、.2.1飛機直流發(fā)電機的特點飛機低壓直流發(fā)電機的標稱電壓為30V，額定電流有100，200、300、400和600A多種，相應的額定容量為3、6、9、12和18kW。6kW及其以上者有直流發(fā)電機與直流起動發(fā)電機兩種，國產(chǎn)的型號為ZF和QF。飛機直流發(fā)電機的傳動端為法蘭盤結構，通過凸緣定位與航空發(fā)動機附件機匣連接，這種結構便于裝拆，減小需用空間。非傳動端端蓋由鋁合金鑄成，以減小重量，它的軸承室壓有鋼襯套，以免端蓋和轉軸材料不同引起熱膨脹系數(shù)不同，使軸承受到擠壓而降低壽命。為減小發(fā)電機扭轉振動引起的疲勞和破壞，飛機直流發(fā)電機常用復合軸，電樞鐵芯和換向器壓裝在空心軸上，它承受重力、單向磁拉力，并傳遞

3、扭矩?？招妮S內的軟軸由強度高、彈性好的彈簧鋼制成，用于傳遞扭矩和吸收扭轉振動能量。提高發(fā)電機最低工作轉速是減輕電機重量的有效方法，現(xiàn)用飛機直流發(fā)電機的最低工作轉速在3800r/min以上，有的達5500r/min。提高電磁負荷是減輕電機重量的另一有效方法。飛機直流發(fā)電機的氣隙磁感應強度達0.7T（特斯拉），線負荷在300A/cm以上，電樞繞組電流密度達20A/mm2，電刷電流密度約30A/cm2。電樞的鐵芯用損耗小、導磁好的硅鋼片疊成，并經(jīng)真空退火或氫氣退火處理，以提高磁性能。采用單面漆或氧化膜等絕緣工藝，減小渦流損耗。采用絕緣性能好、強度高和導熱性好的薄質絕緣材料，提高絕緣等級。改善電機換向

4、，減少電刷火花是飛機直流發(fā)電機可靠工作的重要條件。飛機直流發(fā)電機電磁負荷高、轉速高，又必須在高空大氣稀薄條件下工作，換向條件較差，因此必須采取改善換向的措施。主要措施有：采用反作用刷架使電刷所受摩擦力與彈簧切向力達到平衡，以便讓電刷在刷盒內自由轉動，改善電刷和換向器間的接觸。增加電刷壓力也是使電刷與換向器間有良好接觸的方法，一般壓力為500600g/cm2，有的達750900g/cm2。采用復合電刷，增加換向回路電阻。電刷內加入鉛或二氧化錳等物質，減少高空因氧氣和水蒸氣少而引起的電刷急劇磨損。大多數(shù)飛機直流發(fā)電機有附加極，有的甚至有補償繞組，有的用半數(shù)附加極以減輕重量。飛機直流發(fā)電機大都采用迎

5、面氣流冷卻，它也帶有風扇，以便在地面時冷卻用。表31出了幾種國產(chǎn)飛機直流發(fā)電機的重量功率比。隨電機容量的增大，重量功率比減小。表31飛機直流發(fā)電機的重量功率比型號ZF-9ZF-12ZF-18QF-6QF-12額定功率（kW）91218612重 量（kg）2428.641.52331單位重量（kg/Kw）2.672.342.233.382.583.2.2 飛機直流發(fā)電機的工作特性由航空發(fā)動機傳動的飛機直流發(fā)電機在寬廣的轉速范圍內工作，一般用最低，中等和最高三個典型轉速下的特性來描述電機。圖31是18kW并勵飛機直流發(fā)電機的空載特性，外特性、調節(jié)特性和有電壓調節(jié)器時的外特性曲線。由空載特性可見，低

6、轉速時電機主磁路較飽和，高轉速時則不飽和。某些有半數(shù)附加極的飛機發(fā)電機在低轉速時滿足直線換向條件，轉速升高后，主磁路不飽和了，在同樣附加極的磁勢作用下，極下磁通增大，導致超越換向，而超越換向元件的電樞反應有增磁作用，使調節(jié)特性在輕載時下凹，會使電壓調節(jié)器工作不穩(wěn)定，故應限制下凹量。沒有電壓調節(jié)器的發(fā)電機可能輸出的最大電流叫臨界電流。帶電壓調節(jié)器的發(fā)電機可能輸出的最大電流稱極限電流。這兩個電流決定了電機的過載能力，由圖31(b)和(d)可見，電機轉速高，電氣過載能力強。過載能力還受電刷位置和換向情況的影響。電刷不在幾何中心線，有直軸電樞反應，去磁反應使過載能力減小，增磁反應則增大。臨界電流還受換

7、向好壞和電機工作溫度的影響。 有的飛機直流起動發(fā)電機有補償繞組，它使電機結構復雜了，成本提高。但補償了電樞反應，減小了負載時電機氣隙磁場的畸變，氣隙也可小些，從而減小了勵磁功率。并使發(fā)電機有足夠的飽和度，減弱了換向元件電樞反應，改善了電機換向，增加了電機過載能力。圖31飛機直流發(fā)電機（18kw）的特性（a）空載特性; （b）外特性; （c）調節(jié)特性; （d）有調壓器的外特性3.2.3 飛機直流發(fā)電機的種類 不用電刷和換向器是簡化電機結構，提高電機高空性和可靠性的重要條件。飛機無刷直流發(fā)電機有電磁式和永磁式兩種。1. 永磁式無刷直流發(fā)電機永磁無刷直流發(fā)電機是永磁交流發(fā)電機和可控整流電路的組合，圖

8、32是它的一種主電路方案，整流橋由晶閘管構成。發(fā)電機的轉子部分為永磁材料，定子部分包括電樞繞組、三相晶閘管整流橋、平衡電抗器和濾波電容。電樞采用雙Y繞組，兩套整流電路，這樣可減少發(fā)電機輸出直流電壓的脈動，減輕濾波電路體積和重量。飛機永磁發(fā)電機采用稀土永磁材料，有三種典型永磁轉子結構：軸向、橫向和徑向。飛機永磁發(fā)電機多數(shù)用橫向結構，也有用徑向結構的。見圖33，橫向結構磁鋼轉子外的保護環(huán)有兩種形式，一種是由導磁與非導磁材料間隔構成的保護環(huán)，另一種全由非導磁材料構成。橫向結構有磁通密集作用，電機氣隙磁感應可大于磁鋼內磁感應，但漏磁較大。用導磁和非導磁兩種材料構成的轉子圖32永磁無刷直流發(fā)電機主電路1

9、發(fā)電機永磁轉子；2雙Y電樞繞組；3晶閘管整流橋；4平衡電抗器；5濾波電容器保護套，會使電機漏磁更大一些，但氣隙可較小。稀土永磁發(fā)電機的外特性比電磁式電機平坦，電壓變化率小，短路電流與額定電流的比值大。圖34是800Hz75kVA永磁發(fā)電機的外特性曲線，額定電壓400V，額定電流108A，短路電流900A。稀土永磁導磁系數(shù)與空氣相近，故電樞反應小。徑向式電機交直軸電樞反應差不多，橫向的直軸電樞反應小，因而外特性平坦。3-3 永磁電機不能用滅磁的方法實現(xiàn)電機內部短路保護。通常用脫扣機構在內部短路時將發(fā)電機與原動機脫開。為使無刷直流發(fā)電機輸出電壓不因轉速和負載變化而變化，減少輸出電壓紋波，減少突加突

10、卸負載時電壓變化量和縮短電壓恢復時間，晶閘管型無刷直流發(fā)電機常用六相雙星方案。發(fā)電機有兩套三相繞組。兩者在空間差30º電角，兩三相整流橋的觸發(fā)信號也互差30º電角，以減少輸出電壓脈動。若電機在最低工作轉速滿載時運行的移相角近于零度，發(fā)動機的的最高和最低工作轉速之比為2，則最高工作轉速時移相角約60º，此時三相橋式整流電路輸出電壓脈動相當大，見圖35(a)或(b)。圖35(c)是采用雙星整流電路時的輸出電壓脈動，其幅值顯著減小，頻率則增加一倍，從而可減小輸出濾波器的體積。圖34 稀土永磁發(fā)電機的外特性 圖35 60º的直流輸出電壓波（濾波前）75kVA 4

11、00V 108A 800Hz （a）第一套三相整流輸出電壓；（b）第二套三相 整流系統(tǒng)輸出電壓； （c）六相雙星整流輸出電壓 無刷發(fā)電機電樞電流為非正弦波，故除有基波分量外，還有高次諧波分量。基波電流除形成電樞基波空間磁場外，還形成6K±1次空間諧波磁場，其中K=1，2，。六相雙星整流系統(tǒng)的第一套三相繞組產(chǎn)生的5、7、17等次空間諧波磁場與第二套的相應次空間磁場正好大小相等相位相反，互相抵消，剩下的11和13次空間諧波磁場可用繞組短矩來削弱。因此六相系統(tǒng)基波電流形成的電樞空間磁場接近于正弦波。 三相整流系統(tǒng)中的6K±1(K=1，2，3)次諧波電樞電流也形成電樞空間基波和諧波

12、磁場。其中以5和7次諧波電流建立的基波空間磁場最強，前者以5倍同步速逆轉子旋轉方向運動，后者以7倍同步速順轉子轉向旋轉，從而在磁極表面感應出6倍基波頻率的電流，加大轉子損耗。六相雙星系統(tǒng)可以消除這6次磁場，使電樞磁場接近正弦，減小電機損耗。2.電磁式無刷直流發(fā)電機電磁式無刷直流發(fā)電機的一種方案是由電磁式無刷交流同步發(fā)電機和二極管整流橋構成。電磁式無刷交流發(fā)電機有永磁副勵磁機、交流勵磁機、旋轉整流器和主發(fā)電機構成。圖36是電磁式無刷直流發(fā)電機的內部電路圖。交流勵磁機的電樞在轉子上，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)旋轉整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組，從而避免了電刷和滑環(huán)。 電磁式無刷直流發(fā)電機輸出電壓通過調

13、節(jié)勵磁機勵磁繞組的電流來實現(xiàn)。采用六相雙星繞組，也可減小輸出電壓脈動和降低電機損耗。旋轉整流器式無刷直流發(fā)電機結構較復雜，可采用單級式無刷電機方案。 1 2 3 4 5圖36 電磁式無刷直流發(fā)電機 圖37用迎面氣流冷卻的發(fā)電機示意圖1副勵磁電機；2勵磁機；3旋轉整流器；4主發(fā)電機;5輸出整流濾波電路3.3.4 飛機直流發(fā)電機的冷卻低壓直流發(fā)電機內冷式強迫吹風冷卻，飛機飛行時將迎面氣流自飛機前方開口處引入進風管，進到電機內部，見圖37。也可自發(fā)動機壓氣機引出增壓后空氣到電機內，見圖38。從進風管進入的空氣先冷卻換向器和電刷，其中一小部分空氣從電刷保護帶與端蓋處的縫隙流出，大部分進入電樞內通風道和

14、氣隙，帶走電樞和勵磁線圈的熱量，然后自傳動端排出，見圖39。圖38 抽取壓縮機壓縮空氣冷卻發(fā)動機發(fā)電機所需冷卻空氣流量由發(fā)動機的損耗、允許工作溫度、導熱性、電機內空氣分配合理性、冷卻空氣的溫度和密度等確定。發(fā)電機額定功率相同，損耗大效率低的需要冷卻的空氣量大。電機內部空氣分布合理，發(fā)熱均勻，則流量可小些。電機各部分導熱性好，熱量易傳出，絕緣材料允許工作溫度高，則冷卻空氣流量也可較小。 圖39 飛機直流發(fā)電機的內部風路圖 圖310風冷發(fā)動機的高度和速度特性電機實際通風量由進風口和出風口壓力差、管路風阻、電機內部風阻和冷卻空氣密度等決定，它們又和飛行速度及高度有關。飛機停于地面或飛行速度低時，進氣

15、壓力低，通風量不足。此時靠電機內裝風扇鼓風散熱，但散熱效果較差。飛行速度較高時，進入發(fā)電機的冷卻空氣溫度急劇升高，使長期超音速飛行的發(fā)電機不能采用迎面氣流冷卻。所以迎面氣流冷卻的發(fā)電機只能在一定的高度與速度范圍內才能輸出額定功率，如圖310所示。超出該范圍后，電機輸出功率必須降低。表32列出了部分國產(chǎn)飛機直流發(fā)電機的基本技術數(shù)據(jù)。 表32 飛機直流發(fā)電機額定容量與過載能力 3.3 直流發(fā)電機的電壓調節(jié)3.3.1電壓調節(jié)及其技術發(fā)展 飛機直流發(fā)電機工作轉速范圍寬，為了使輸出電壓保持在技術要求規(guī)定的范圍內，必須設置電壓調節(jié)器，通過改變發(fā)電機的勵磁電流來調節(jié)輸出電壓。 早期的飛機直流發(fā)電機額定容量在

16、1500W以下，采用振動式電壓調節(jié)器，如圖3-11所示。發(fā)電機勵磁繞組串接附加電阻Rg，調壓器的觸點K與Rg并聯(lián)。觸點閉合勵磁電流增加，觸點斷開勵磁電流下降，改變觸點相對閉合時間即可調節(jié)勵磁電流平均值，使發(fā)電機電壓在轉速和負載變化時保持在規(guī)定范圍內。這種調壓器的發(fā)電機勵磁電流受到觸點容量限制，只能用于小容量發(fā)電機，且觸點易損壞。炭片式電壓調節(jié)器可用于大中功率飛機發(fā)電機，勵磁電流可達1015A。其原理電路如圖3-12所示，它是由電磁鐵、反作用彈簧和碳柱等組成。若發(fā)電機轉速升高或負載減小，電壓升高，則調壓器工作線圈電流加大，電磁吸力加大，克服彈簧反作用力使銜鐵往電磁鐵鐵芯方向運動，碳柱壓力減小，碳

17、阻加大，使發(fā)電機勵磁電流減小，電壓降低。發(fā)電機轉速降低或負載增大時，調節(jié)作用相反。炭片調壓器的缺點是炭柱損耗大，炭片易磨損，抗沖擊和振動的能力差，調壓精度低，動態(tài)響應慢。圖311 直流發(fā)電機振動式電壓調節(jié)器原理圖 圖312 炭片式電壓調節(jié)器 K振動觸電 ； Rg附加電阻 1炭柱；2銜鐵；3反作用彈簧；4電磁鐵； 5調節(jié)螺釘；6氣隙 現(xiàn)代飛機直流發(fā)電機采用晶體管電壓調節(jié)器，具有體積小重量輕、損耗小。調壓精度高和動態(tài)相應快等優(yōu)點。電壓調節(jié)器通常由檢測比較、放大和執(zhí)行等環(huán)節(jié)構成。例如振動式電壓調節(jié)器檢測環(huán)節(jié)是電磁鐵的工作線圈，它并接于發(fā)電機輸出端，檢測發(fā)電機輸出電壓，發(fā)電機電壓高，工作線圈電流大，電

18、磁吸力也大。反作用彈簧是基準元件，其彈性不受電壓大小和工作溫度的影響。電磁鐵與彈簧的組合實現(xiàn)電壓比較，電壓高，線圈電流增大，導致電磁吸力大于彈簧反作用力，觸點斷開，電阻Rg串入勵磁繞組電路中，使勵磁電流減小，發(fā)電機電壓降低。隨后，線圈電流減小，吸力減小，小于彈簧反作用力，觸點閉合，Rg短接，勵磁電流增加，發(fā)電機電壓也隨之增加。因此觸點與附加電阻就是執(zhí)行環(huán)節(jié)，用于控制勵磁電流。電壓調節(jié)器往往還有一些附加環(huán)節(jié)，以提高調節(jié)器工作性能或完成其他任務。3.3.2 晶體管電壓調節(jié)器炭片電壓調節(jié)器是平滑改變炭柱電阻來調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的。晶體管電壓調節(jié)器的末級晶體管工作于開關狀態(tài)，通過改變導通比來條件發(fā)電機

19、勵磁電流，故晶體管調壓器的損耗較小。l. 勵磁電流的脈寬調制控制圖313是發(fā)電機勵磁繞組和電壓調節(jié)器末級晶體管電路，勵磁繞組上還并接續(xù)流管。圖(a)三極管導通，圖（b）三極管截止，二極管續(xù)流。末級晶體管V導通，電源電壓加于勵磁繞組，勵磁電流增加，晶體管截止，二極管續(xù)流，勵磁電流減小。勵磁電流平均值和晶體管V的導通比D c成正比圖313 晶體管調壓器末級晶體管的接線圖(a) 晶體管V開通，勵磁電流ij增長；(b)晶體管V截止勵磁電流D續(xù)流晶體管V截止時功率損耗近似為零，導通時損耗也不大，但從截止到導通或從導通到截止的過程中則功耗較大。減小開關過程中的損耗很重要。圖314是晶體管開關曲線

20、，開關周期T=ton + toff + tr + tf ，其中ton是晶體管開通時間，toff是截止時間，tr是開通過程時間，tf是關斷過程時間。晶體管截止期間損耗為PoffPoff = Uce ic=Ec Ico （3-1）式中：Uce晶體管集電極發(fā)射極間電壓，Ec勵磁電源電壓；Ico晶體管穿透電流，硅管微安級。晶體管導通期間損耗為PonPon = Uces·Ics （3-2）式中：Uces晶體管飽和導通電壓降，Ics導通時流過晶體管電流，決定于勵磁電流大小。設從截止到導通和從導通到截止的過渡期間晶體管電壓，和電流按線性變化，見圖314，則開通過渡期間的開關損耗Pr為 （53）關斷

21、過渡期間損耗為Pf Pf= = (34)晶體管平均損耗為P （35）開關過程中損耗和主要決定于式(5-3)和(5-4)中的第一項,因為和是兩個較大的值。從式(35)可見，若能改善開關特性、縮短開關過渡時間tr和tf,則可減小晶體管平均功耗。平均功耗還隨開關頻率f=1/T的減小而減小?？偟膩碇v，開關工作的晶體管功耗比線性狀態(tài)工作的要小得多，所以晶體管調壓器的末級晶體管都設計成脈寬調制工作方式。 2.勵磁電流平均值 通常晶體管開關過渡時間tr和tf很小，可忽略，這樣發(fā)電機勵磁電流波形如圖315所示。圖314 晶體管的開關工作 圖315 末級晶體管開關工作與勵磁電流波形ton導通時間；toff截止時

22、間；tr開關過程時間; tt截止過程時間在導通期，勵磁電流增長，用表示，則 式中：rj為勵磁繞組電阻；Lj為勵磁繞組電感。解式（37）得 式中： 在晶體管截止期間，勵磁電流衰減，用表示，則 （39）解式（39）得 （310）式（38）和（310）中得A和B是積分常數(shù)，由初始條件確定。 設t0時得，則由式（38） A (311)代入式(3-8) （312）t時，由式（312）和（310）得 B= 因此時，故 B （313） (314)穩(wěn)態(tài)時，在tT，ij2 =Ij0 時，由式 （314） (315)令 得 (316) (317) (318) (319)勵磁電流平均值 (320) 式中：，為末級晶

23、體管的導通比，或稱占空比。由式（320）可見，勵磁電源電壓和電機勵磁電阻不變時，平均勵磁電流僅與導通比成正比。0，0；1，。3.勵磁電流的脈動和脈動率 勵磁電流的脈動會導致發(fā)電機輸出電壓的脈動，必須減小脈動量。通常用脈動率來判斷脈動程度，脈動率是脈動電流峰峰值和電流平均值之比的百分數(shù)。 由圖315，勵磁電流脈動峰峰值（又稱脈動振幅）為，是時的。由式（319）得= （321）通常使T<<，故、和都遠小于1。將式（321）中各指數(shù)函數(shù)均按冪級數(shù)展開···，忽略三次以上高次項，得 (322)若 或,則0。故在1之間出現(xiàn)勵磁電流脈動最大值，在時 （323）再按

24、冪級數(shù)展開法運算，得式（323）的簡化表達式 （324）勵磁電流脈動率 ×100 (325)由于晶體管開關頻率高，故T<<j, IjM不大。例如某發(fā)電機勵磁繞組電感Lj=0.34H,電阻rj8，勵磁繞組時間常數(shù)，若開關頻率，在時有由此可見，勵磁電流脈動是不大的，且開關頻率越高則脈動越小。同時可得，脈寬調制工作方式的調壓器對勵磁電流的控制作用和線性工作的基本相同，但晶體管的損耗顯著減小。 4. 晶體管電壓調節(jié)器某型飛機直流發(fā)電機控制盒中電壓調壓器原理電路見圖3-16，原理電路的核心器件是運算放大器N102，由單結晶體管V102等構成的馳張振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號經(jīng)R115、R

25、116分壓，C103耦合到N102的反向輸入端，與R117、RP0、R126組成的發(fā)電機電壓敏感電路的輸出疊加，在N102的反向端形成一個有鋸齒波分量的電壓信號，該電壓與V101進行比較，在N102的輸出端形成一個隨發(fā)電機變化的脈沖信號，經(jīng)功率放大后加于發(fā)電機的勵磁繞組上。圖 3-16 晶體管電壓調節(jié)電路一、 檢測電路檢測電路由R126和RP0組成，發(fā)電機輸出電壓經(jīng)R126和RP0分壓后送入運放N102的反向輸入端。 二、單結晶體管的弛張振蕩電路單結晶體管的結構是在一塊高電阻率的N型硅半導體基片上，引出兩個歐姆接觸的電極：第一基極b1和第二基極b2。在兩個基極間靠近b2處，用合金法或擴散法滲入

26、P型雜質，引出發(fā)射極e。單結晶體管共有上述三個極。當b1、b2間加正向電壓后，e、b1間呈高阻特性。但是當e的電位達到b2、b1間電壓的某一比值（例如）時，e、b1間立刻變成低電阻，這是單結晶體管最基本的特點。圖3-17為單結晶體管特性實驗電路(見圖3-17a)及其等值電路(見圖5-17b)。雙基極間的電阻為410k。二極管VD等效于單結晶體管內部的PN結，Rb1是b1基極和PN結間的電阻，Rb是b基極和PN結間的電。當Ebb為一定值時，開關S接通，則A點和b1基極間的電壓為式中，為分壓比，是單結晶體管的主要參數(shù)，一般取值為0.30.9。 圖3-17 單結晶體管的基本實驗電路及等值電路 圖3-

27、18 單結晶體管發(fā)射極伏安特性當Ue從零逐漸增加，但UeUA時，單結晶體管的PN結處于反向偏置狀態(tài)，只有很小的反向漏電流。直到當發(fā)射極電位Ue比Ebb高出一個二極管的管壓降UD時，就使單結管開始導通，這個電壓稱峰點電壓UP，此時的電流稱峰點電流Ip。故Up=Ebb+UD,參看圖5-18單結管發(fā)射極伏安特性。二極管VD導通后大量的載流子流入A點和b1間的硅片，因此Rb1迅速減小。硅片上的分壓也發(fā)生變化，UA下降，因而Ue亦下降。從外電路看，Ue=Ee-IeRe，由于Ie增加，Ue雖然下降，但由于UA下降更多，故PN結處于更大的正偏，因而更多的載流子注入硅片中，促使Rb1進一步減小，Ie又進一步增

28、加，形成正反饋。這過程表明它已進入伏安特性的負阻區(qū)域，如圖3-18中PV段所示。當Ie增大至一定程度時，載流子的濃度使注入遇到阻力，欲使Ie繼續(xù)增大，必須增大電壓Ue，這一現(xiàn)象稱為飽和。由負阻區(qū)轉化到飽和區(qū)的轉折點V稱為谷點。與谷點對應的電壓和電流分別稱為谷點電壓Uv和谷點電流Iv。谷點電壓是維持單結管導通的最小電壓，一旦Ue小于UV時，單結管將由導通轉化為截止。圖3-18中的伏安特性是當Ebb為某一固定值(如20V)時作出的，如果Ebb的數(shù)值改變，Up和Uv值也隨之改變。當Ebb很小時，Up和Uv也很小。圖3-19單結管自振蕩電路圖3-19a是單結管的自振蕩電路。設電源未接通時，電容c上的電

29、壓為零。電源接通后，c經(jīng)電阻RC充電，Uc逐漸升高，當Uc達到單結管的峰點電壓Up時，單結晶體管導通，電容經(jīng)e、b1向電阻R1放電，在R1上輸出一個脈沖電壓，當電容放電至Uc=Uv，并趨向更低時，單結管截止，Rl上的脈沖電壓結束。之后電容從Uv值又開始充電，充電到Up時，單結晶體管又導通，此過程一直重復下去，在R1上就得到一系列的脈沖電壓。由于c的放電時間常數(shù)1=（R1+Rb1）C遠小于充電時間常數(shù)2=ReC，故uc為鋸齒波。uc和ub1的波形如圖3-19b所示。改變Re的大小，可以改變C充電的速度，從而改變電路的自振蕩頻率。二、脈寬調制電路 弛張振蕩電路輸出鋸齒波波形，經(jīng)電容C103隔直后，

30、通過運放N102與發(fā)電機反饋電壓疊加后，與基準電壓V101比較，從而使運放輸出為矩形脈沖信號，該脈沖信號的頻率不變，脈寬則隨著發(fā)電機反饋電壓的變化而改變，起到閉環(huán)調壓的作用。波形圖如圖3-20所示。 圖3-20 脈寬調制電路波形圖三、功率放大電路功率放大電路由V104、V105、V1、V2、R123、R124、R125等組成，用于放大運放送來的矩形脈沖，并實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁電流的控制。此外運放N101及其周圍電路屬于發(fā)電機并聯(lián)均衡電路。3.4 飛機直流電源的并聯(lián)運行3.4.1 并聯(lián)條件和負載的分配直流電源投入電網(wǎng)的條件是：電源極性和電網(wǎng)相同，電源電壓和電網(wǎng)電壓相同。 圖321是兩臺直流發(fā)電機并聯(lián)

31、工作原理圖，A和B為調節(jié)點，即電壓調節(jié)器檢測電路與發(fā)電機饋電線上的連接點，U1、U2為A、B點電壓，Un并聯(lián)匯流條電壓，R+1、R+2為電源到匯流條間正接線電阻。由圖， (326) (327)+=圖321 兩臺直流發(fā)電機并聯(lián)原理圖若調節(jié)器有調節(jié)誤差又稱靜差，則調節(jié)點電壓和調壓器調定電壓（表現(xiàn)為發(fā)動機空載電壓）U01、U02間的關系為 U1=U01K1I1 （329） U2=U02K2I2 （330）式中：K1、K2可根據(jù)電源電壓與它的負載電流間關系確定，見圖322。這就是有調壓器的發(fā)電機外特性曲線。由于外特性工作段近似為直線，故K1、K2為 （331） Req1、Req2：均衡敏感電阻Rjd1

32、、Rjd2：均衡電阻 圖322 電源電壓靜差與負載電流間關系 圖323具有均衡電路的兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行綜合式（326）至（327），得 (332) (333)兩電源電流差 (334) 為使兩電源承擔相同負載，由式（334），必須：調定電壓U01U02，正接線電阻R+1R+2，調壓器靜差。飛機直流電源的各發(fā)電機和調壓器型號相同，但即使這樣也不易精確滿足上述條件，從而使各發(fā)電機的負載不相同。3.4.2 自動均衡電路 負載均衡分配是提高并聯(lián)電源容量利用率的基本條件，為此必須采用自動均衡電路。圖323是雙發(fā)電機并聯(lián)電源原理圖，采用晶體壓器，發(fā)電機負極有均衡電阻Rjd，電壓調節(jié)器的均衡敏感電阻Req互相

33、連接后接于A和B點。兩均衡電阻和均衡壓敏電阻均阻值相等。 若I1I2，則A點電位低于B點，均衡電流ieq自B流向A，在Req1和Req2上產(chǎn)生電壓降Ueq，因為Req1=Req2，所以兩均衡敏感電阻上的電壓降數(shù)值相等，都是Um=ieqReq，但在各自的晶體調壓電路中方向相反，經(jīng)電橋檢測及放大后送入調壓電路的運放N102，其調節(jié)結果是使U1降低，減小I1。同時，調壓器2則使U2增加，加大I2，從而使I1接近I2，實現(xiàn)兩發(fā)電機負載均衡。但不可能使兩電機負載相等，因為相等時均衡電路電流就消失了。設兩調壓器為無靜差，則發(fā)電機輸出電壓為： (339) (340)其中1=2，為調壓器對均衡電流ieq的靈敏

34、度。即均衡電路使電流大的1號發(fā)電機降低，使2號增加，從而均衡兩電機的負載電流。 若電壓調節(jié)器有靜差，則： （341） （342）故兩電源電壓變化量 (344)即 式中：為均衡電路的靈敏度系數(shù)。 例 如某殲擊機直流電源有關數(shù)據(jù)為(若太大易引起并聯(lián)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。) 一般在R+1R+2 ， 時，小于為單臺電源額定電流。有均衡電路后，發(fā)電機負載電流 (346) (347) (348)由此可見，若線路結構及調節(jié)器構造參數(shù)相同，即有R+1R+2 ，K1=K2，1=2,則兩發(fā)電機電流差將與負載電流I無關，僅與調節(jié)器調定電壓有關，且由此引起的電流差比無均衡電路時小。3.4.3 發(fā)電機與蓄電池的并聯(lián)運行 飛機

35、直流發(fā)電機常與航空蓄電池并聯(lián)運行，發(fā)電機正常工作時，為蓄電池充電，大負載時，發(fā)電機與蓄電池共同向電網(wǎng)供電；發(fā)電機停車或故障時，僅由蓄電池向電網(wǎng)供電。 蓄電池與發(fā)電機并聯(lián)運行還可降低電網(wǎng)電壓脈動和減小加卸載時電網(wǎng)電壓的波動。 圖324發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)運行 發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)工作時的負載分配決定于它們的外特性和兩者之間饋電線的參數(shù)，參見圖324。 設調壓器無靜差，即調定電壓U01不受負載影響，但由于調壓點至匯流條的線路電阻R+1，使匯流條端電壓UF隨發(fā)電機輸出電流IF的增大而降低，其外特性如圖325曲線2。蓄電池到匯流條的電壓Ub可表示為 （） （349）式中：蓄電池充電或放電電流，充電時取+號

36、，放電時取號，蓄電池電動勢，蓄電池的內阻，蓄電池至匯流條線路電阻。蓄電池外特性曲線如圖326所示。因為發(fā)電機與蓄電池都接在同一個電源匯流條上，若電源匯流條電壓為，負載電流為，則 （350） 圖325 饋電線電阻R1對外特性的影響 圖326 蓄電池的特性曲線 （351）由此關系及圖326之曲線2，圖326之曲線4可用作圖法求出發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)工作的負載分配關系，如圖326所示。 若負載電流為零，發(fā)電機向蓄電池充電，充電電流等于發(fā)電機輸出電流，IF=Ib=Ib0，匯流條電壓為Un0。 若負載電流為In1 ，發(fā)電機除向設備供電外還向蓄電池充電，輸出電流為IF1,匯流條電壓下降為Un1，蓄電池充電電

37、流降為Ib1 ,In1=IF1-Ib1。 當負載電流增加到一定值時，匯流條電壓降為Un2, Un2等于蓄電池電動勢Eb，電池充電電流為零，負載電流完全由發(fā)電機供給, =。負載電流超過后，負載電流由發(fā)電機與蓄電池共同負擔，匯流條電壓進一步降低。為保證匯流條電壓不致過分降低，一般發(fā)電機主干線壓降不大于0.25V。調壓點電壓值對蓄電池工作影響很大。調定電壓過低，使蓄電池在負載電流較小時就放圖327 發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)工作的負載分配 圖328 未充足電的蓄電池(曲線5)不宜與發(fā)電機并聯(lián)運行電，電池儲電量減少，影響應急時的使用，但若調定電壓過高，蓄電池充電電流很大，有可能使蓄電池因過充電而損壞。鉛畜航空

38、蓄電池充足電后電動勢為31.2V，放電電壓為24V，發(fā)電機調定電壓為28.5V，一般可以協(xié)調工作。發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)工作時，蓄電池充電程度對負載電流分配有較大影響。圖326日曲線5表示未充足電的蓄電池的外特性，未充足電的蓄電池在飛機上不僅不能發(fā)揮應急電源的作用，而且在與發(fā)電機并聯(lián)時充電電流很大，一方面會降低蓄電池壽命，另一方面在較小負載情況下就使發(fā)電機過載。因此，不允許將未充足電的蓄電池裝到飛機上使用。 3.5 直流電源的控制與保護 飛機低壓直流電源系統(tǒng)的控制主要是指主電源，應急電源、地面電源以及起動發(fā)電機的控制。低壓直流電源系統(tǒng)的保護項目主要有發(fā)電機反流保護、過電壓與過勵磁保護、發(fā)電機反極性

39、保護、過載保護和短路保護等。本節(jié)主要討論電源的控制、反流保護與過壓保護。3.5.1 直流發(fā)電機的控制與反流保護飛機直流發(fā)電機通常通過接觸器與匯流條連接，該接觸器稱為主干線接觸器MLC。發(fā)電機電壓低于電網(wǎng)電壓時，電網(wǎng)上其他電源（蓄電池或其他發(fā)電機）將向此發(fā)電機輸電，即出現(xiàn)反流。反流過大將會使發(fā)電機或其他電源損壞。反流保護器應在反流達到一定數(shù)值后使該發(fā)電機與飛機電網(wǎng)斷開。通常將主干線接觸器MLC與反流保護組合在一起。 圖329是CJ400D型反流保護器原理電路圖，圖中MLC為主干線接觸器，DR為差動極化繼電器，用于檢測電壓差及反流，使MLC在發(fā)電機電壓高于電網(wǎng)電壓一定值時將該發(fā)電機與飛機電網(wǎng)接通，

40、反流值達一定值時與飛機電網(wǎng)斷開。差動極化繼電器DR有兩個工作位置，對應觸點K接通或斷開。其結構是在上下兩塊軟 圖329 CJ-400D反流保護器原理圖 圖330 極化繼電器原理示意圖 1接觸螺釘；2銜鐵；3止動螺釘鐵板間固定三根圓柱形永久磁鐵和左右兩對極靴。外設壓差線圈W1與反流線圈W2，銜鐵片置于兩對極靴間，可繞支點轉動，見圖330。 W1 、W2、中無電流，銜鐵可處于任一位置。當W1兩端電壓差達一定值，且電流方向如圖330中箭頭所示時，銜鐵將反時針方向轉動，使觸點K接通。當反流線圈W2的反流電流達一定值時，銜鐵將順時針方向轉動，使觸點K斷開。 若控制開關MLC.S接通，電網(wǎng)上有蓄電池，發(fā)電

41、機極性正確，則當發(fā)電機電壓上升到1418V時，繼電器J1吸合，其觸頭閉合，使壓差線圈W1和繼電器J2的線圈均跨接于電網(wǎng)和發(fā)電機正極之間，檢測兩者間電壓差。若發(fā)電機電壓高于電網(wǎng)電壓達0.30.7v，差動線圈W1的安匝使DR銜鐵動作，觸點K閉合，MLC線圈通電，將發(fā)電機投入電網(wǎng)。 若斷開控制開關MLC.S，繼電器J1斷開，MLC線圈斷電，使MLC觸點斷開。 若發(fā)電機電壓低于電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)與發(fā)電機間產(chǎn)生反流，流過W2線圈的反流電流達1535A，極化繼電器DR銜鐵運動，斷開觸點K，MLC線圈斷電，MLC觸點斷開，發(fā)電機與電網(wǎng)脫離。 電網(wǎng)上無其他電源(蓄電池，其他發(fā)電機)時，MLC的接通需要電網(wǎng)上有一個

42、1 W左右的負載，以便W1線圈能通過一定的電流。 繼電器J1、J2的作用是防止在發(fā)電機未發(fā)電或反極性情況下，接通MLCS，使壓差線圈W1及J2線圈通電，承受過高電壓。 繼電器J4的作用是在MLC接通后將壓差線圈W1電路由電網(wǎng)轉接到發(fā)電機正極，使壓差線圈與發(fā)電機CJ400D這段電路并聯(lián)，萬一發(fā)電機至CJ400D這段電路斷開，壓差線圈W1中出現(xiàn)反向電流，使K斷開，從而斷開MLC。3.5.2 飛機直流發(fā)電機的過電壓與過勵磁故障保護 發(fā)電機勵磁電路或調壓器故障使電源電壓超過規(guī)定的穩(wěn)態(tài)電壓極限值，稱為過壓。過壓會對用電設備造成嚴重危害。出現(xiàn)過壓時應使發(fā)電機減磁或滅磁，并使發(fā)電機脫離電網(wǎng)。并聯(lián)直流電源系統(tǒng)

43、中若某臺發(fā)電機發(fā)生過壓故障，各發(fā)電機調節(jié)點電壓都升高，故不能采用檢測調節(jié)點電壓的方法判斷故障發(fā)電機。一般通過檢測各發(fā)電機勵磁繞組電壓來判斷故障電機。過壓保護電路對持續(xù)性過電壓按反延時特性動作，而對瞬時過電壓不應動作。圖331是過壓保護器（BJD-1A）的電路原理圖。它由檢測與放大電路YB，中介繼電器J1,控制繼電器J2和滅磁繼電器M等組成。 電壓檢測電路檢測發(fā)電機勵磁繞組兩端電壓，由二極管D1，穩(wěn)壓管DW1、DW2，電位器P和電阻R1組成。發(fā)電機正常工作時，勵磁繞組電壓Uj為215V，檢測電路輸出電壓Us約為1.4v，不能驅動后級電路。發(fā)電機過勵時，Uj達26.5V以上，Us大于9V。由DW4

44、V1V2構成的門限電路的門限電壓Ut約9V。若Us>Ut，經(jīng)R2、C延時，V1、V2導通，J1動作，滅磁繼電器M動作并自鎖，觸頭斷開，發(fā)電機勵磁電路中串入限流電阻R5，減小勵磁電流。觸頭斷開，使MLC斷開，故障發(fā)電機退出電網(wǎng)。 圖331 BJD1A 過壓保護器電路3.5.3 飛機直流發(fā)電機的短路保護 飛機直流電網(wǎng)的短路由有兩種：金屬熔接性短路，有短路電阻小、電流大、短路時間長等特點，間歇性短路，短路時金屬飛濺。短路使電源不能正常供電，甚至導致火災。目前低壓直流電源的短路保護主要由反流保護器和熔斷器來實現(xiàn)。所用熔斷器常為難熔熔斷器。3.6起動發(fā)電系統(tǒng)3.6.1 航空發(fā)動機的起動特性及其起動

45、要求 航空發(fā)動機有活塞式和燃氣渦輪式兩類，都不能自行起動工作，必須靠外力把它們轉到一定轉速后才能自行工作。將發(fā)動機從轉速為零轉到能自行工作叫做發(fā)動機起動。起動過程 中既要有使發(fā)動機旋動的設備起動機，還要有使油氣混合氣點燃的設備點火電器， 總稱起動點火設備。 活塞式航空發(fā)動機達到5060rmin，噴油點火后就能自行工作。這個轉速不高，但因活塞在氣缸內運動時摩擦很大，壓縮氣缸內的空氣也要相當大的力，所以需要很大的外力矩才能轉動這種發(fā)動機。 燃氣渦輪發(fā)動機常稱噴氣發(fā)動機，由壓氣機、燃燒室、渦輪與尾噴管等組成，它沒有滑動摩擦，故靜阻力矩不大，但這種發(fā)動機能自行工作的轉速較高。通常發(fā)動機轉速要達到最高工

46、作轉速的13左右，由它傳動的油泵轉速才達到足以使噴入燃燒室的燃油霧化，發(fā)動機才能點火，使油氣混合氣燃燒。在點火之前，渦輪和壓氣機都是起動機的負載，阻轉矩是轉速的高次方冪函數(shù)。點火后，渦輪由吸收功率轉為輸出功率，且它的輸出功率隨轉速的升高而加大，可反過來帶動壓氣機旋轉。為了防止發(fā)動機過熱，轉子必須盡快加速，以便壓氣機鼓入更多的冷空氣來冷卻發(fā)動機。因此起動機需繼續(xù)帶動發(fā)動機旋轉，轉速大約達發(fā)動機最高工作轉速的35時發(fā)動機才能自行工作，此轉速叫自持轉速。僅在此之后，起動機才可停止工作。噴氣發(fā)動機的最高工作轉速達1000020000rmin，自持轉速約為35007000rmin，比活塞發(fā)動機的高得多。

47、圖5-32是航空噴氣發(fā)動機的起動特性曲線。由曲線可見，起動時靜摩擦力矩不大，在點火時靜阻轉 矩最大，起動機的轉矩必須大于靜阻轉矩。 必須保證在不同環(huán)境溫度和氣象條件下都能起動發(fā)動機。萬一第一次不能起動，應可進行多次起動。起動過程時間要短。對于軍用飛機，縮短起動時間可提高飛機的戰(zhàn)術技術性能；對民用飛機，可提高飛機的經(jīng)濟性能。起動設備的體積重量要小。起動設備包 括起動用能源，如蓄電池、壓縮空氣或火藥柱等。這類能源的能量是有限的，起動過程 中消耗能量少，則能源的體積重量可小，圖332航空噴氣發(fā)動機的起動特性1發(fā)動機經(jīng)磨擦力矩；2壓氣機阻力矩；3渦輪轉矩 ；4發(fā)動機總轉矩反之，在同樣體積重量下可增加起

48、動次數(shù)。但是，起動設備的功率、起動時間和每次起動消耗的能量之間存在一定關系。起動機功率大，起動時間必短，起動中消耗能量則較少?？墒羌哟笃饎訖C功率，其體積與重量也必大。自起動能力。有的飛機希望不借助地面設備的支持，能自行起動發(fā)動機，實現(xiàn)起飛的能力，稱自起動能力。在需要地面設備支持時，地面設備應標準化、通用化。 交叉起動。在多發(fā)動機飛機上，一臺發(fā)動機工作后，借助于它來起動未工作發(fā)動機的能力，稱交叉起動能力。交叉起動可以減小對地面設備的要求，是實現(xiàn)多發(fā)動機飛機自行起動的重要條件。3.6.2 航空發(fā)動機的電力起動過程 渦輪起動機(冷氣或然氣渦輪)、液壓馬達起動機和電力起動機是航空發(fā)動機常用的三種起動設

49、備。 活塞式航空發(fā)動機的電力起動機有三種t慣性起動機、復合作用起動機和直接作用起動機。慣性起動機由電動機、飛輪、減速器、摩擦離臺器和起動爪等構成。首先，電動機帶動飛輪旋轉，轉速達1萬余rmin后，電機斷電，此階段電能轉為儲于飛輪的機械能。然后，起動爪外伸，與發(fā)動機軸上的爪相嚙合，傳動發(fā)動機旋轉。只要飛輪儲能足夠大，即可使發(fā)動機轉速達到5060rmin。摩擦離合器的滑動轉矩調到一定數(shù)值，以免兩起動爪嚙合時沖擊過大而損壞起動機或發(fā)動機。復合作用起動機與慣性起動機不同之處是：起動爪嚙合前后起動機不斷電，故起動能力比慣性起動機大。直接作用起動機沒有飛輪，直接或經(jīng)減速后傳動發(fā)動機，故結構簡單，但電機功率要大。電力起動機的工作時間很短，直接作用的僅數(shù)秒，復合作用和慣性起動機有個飛輪儲能過程，有幾十秒鐘。起動結束后，起動爪收縮，使起動機與發(fā)動機脫開，防止發(fā)動機反過來傳動電動機。 噴氣發(fā)動機的電力起動機為直接作用式。減速器、摩擦離合器和單向離合器在發(fā)動機附件機匣內。起動發(fā)動機時，電動機經(jīng)減速后傳動航空發(fā)動機。起動結束后，電動機斷電，電機轉速低于發(fā)動機轉速，單向離合器自動脫開，防止發(fā)動機反過來傳動起動機。對于用電量大的噴氣飛機，發(fā)電機容量較大，約與電力起動機相當，利用電機可逆原理，可構成起動發(fā)電機。發(fā)動機未工作時，該電機作電動機用，起動航空發(fā)